Impianto fotovoltaico: componenti, funzionamento, vantaggi e svantaggi

Il dibattito in atto sulla transizione energetica sembra destinato a risentire non poco di quanto sta accadendo dopo lo scoppio della guerra tra Russia e Ucraina. Un conflitto il quale rischia di produrre effetti pesantissimi per quanto riguarda l’approvvigionamento energetico di gran parte dell’Europa, Italia compresa.

Una discussione che già nei mesi precedenti aveva assunto grande rilievo, alla luce di un movimento d’opinione sorto in seno alla società occidentale, il quale chiede a gran voce un vero e proprio cambio direzionale per quanto riguarda i modelli energetici. Un mutamento che deve essere indirizzato in particolare verso quelli più sostenibili per un pianeta ormai in gravissima difficoltà dal punto di vista ambientale.

All’interno di questi modelli un ruolo molto importante potrebbe essere ricoperto dall’energia solare, ovvero dal fotovoltaico. Andiamo quindi ad affrontare nel dettaglio il discorso ad esso relativo in modo da riuscire a comprenderne meglio i vari aspetti, a partire dai vantaggi e svantaggi che l’energia solare comporta.

Impianto fotovoltaico: quali sono i componenti?  

Il discorso non può che partire dai componenti che vanno a formare un impianto fotovoltaico. Nell’elenco in questione occorre menzionarne soprattutto sei, quelli principali:

• i moduli fotovoltaici, noti anche come pannelli o celle solari. Il loro compito è quello di produrre elettricità sfruttando allo scopo l’effetto fotoelettrico prodotto dalla luce diurna. Naturalmente ne esistono di diverse forme, dimensioni e colori, ma il fattore che li differenzia maggiormente è la potenza di uscita, in termini di wattaggio e voltaggio;
• i sistemi di montaggio, che hanno la funzione di fare da base ai moduli fotovoltaici e aiutarli a stare in piedi. Le strutture di questo genere sono solitamente prodotte in acciaio o alluminio e possono essere posizionate sul tetto, come accade nel caso degli impianti solari preposti al riscaldamento dell’acqua. Nei più semplici i pannelli solari vengono fissati alla struttura, eliminando in partenza l’eventualità che possano essere spostati. In quelli più avanzati rendono possibile mutarne l’inclinazione, in base alla stagione. Inoltre, possono essere montati su dei pali, in maniera tale da poter ruotare seguendo il movimento solare e sfruttarne al meglio i raggi;
• il modulo combinatore, ove vanno a convergere tutti i cavi provenienti dai moduli fotovoltaici al fine di essere associati ad una sola uscita elettrica formata da un cavo positivo e uno negativo. Questo componente ospita anche una serie interruttori automatici (fusibili di stringa) e si rende realmente necessario solo nell’eventualità che il sistema sia formato con 4 stringhe o più;
• i regolatori di carica, chiamati a regolare il voltaggio e la corrente inviata alla batteria dai pannelli solari. Proprio il lavoro da essi svolto impedisce il sovraccarico della batteria, provvedendo inoltre a proteggerla e renderne possibile una maggiore durata. Il loro compito non si esaurisce però qui, in quanto proprio il regolatore di carica impedisce il rientro della corrente nei pannelli solari durante le giornate nuvolose o nel corso delle ore notturne. In pratica, questo componente è necessario soprattutto nel caso in cui l’elettricità prodotta non è utilizzata immediatamente o destinata a confluire nella rete;
• le batterie. Come si sarà già capito, i pannelli fotovoltaici sono attivi anche quando l’energia da essi prodotta non serve ad un utilizzo immediato. In questo caso le soluzioni sono due: la vendita del surplus prodotto alla rete elettrica, oppure la sua conservazione in appositi contenitori. I contenitori in questione sono le batterie, il cui costo è destinato ad appesantire il costo finanziario di un impianto fotovoltaico, ma che possono rivelarsi un investimento ove il proprio impianto produca molto più del necessario. Proprio per questo motivo prima di optare per la dotazione di impianti di accumulo occorre vagliare non solo pro e contro dell’operazione, ma anche le ricadute in termini puramente economici;
• gli invertitori solari, che nonostante siano l’ultimo punto di questa lista non rappresentano assolutamente l’ultimo componente di un sistema fotovoltaico in ordine di importanza, tutt’altro. Sono proprio loro a convertire la corrente continua (CC) prodotta dai pannelli solari dopo il passaggio attraverso il modulo combinatore in corrente alternata a 240V. Ovvero a rendere possibile l’utilizzo di quella prodotta per il funzionamento per i dispositivi elettronici presenti all’interno di un’abitazione. Gli invertitori collegati alla rete in maniera diretta non necessitano della presenza di una batteria per immagazzinare l’energia prodotta, al contrario di quelli off-grid.

Come funzionano gli impianti fotovoltaici?

Se tutti ormai sanno che l’energia solare è una fonte rinnovabile e pulita, in grado di ridurre l’inquinamento abbattendo le emissioni nocive a carico dell’atmosfera, non molti ne conoscono invece il funzionamento.

Il processo di produzione dell’energia elettrica da parte dei pannelli fotovoltaici, indicato come effetto fotovoltaico, prevede in pratica la conversione di quella dei fotoni in elettricità. Il meccanismo prevede la cattura della luce solare in modo da porre le basi per la stimolazione degli elettroni presenti nel silicio presente all’interno delle celle solari.

Più precisamente, possiamo dire che una volta che il fotone colpisce la superficie della cella fotovoltaica avviene il trasferimento della sua energia agli elettroni presenti su di essa. L’attività che gli elettroni avviano dopo questo primo passo si traduce in un flusso nel circuito destinato a produrre la corrente elettrica continua. Per poterla convertire e trasformarla in energia utile per gli usi domestici viene infine utilizzato il cosiddetto inverter.

Se questo è il procedimento che avviene all’interno di un pannello, un aspetto estremamente importante di questo processo è rappresentato dalla sua efficienza. Ovvero dalla capacità di convertire l’energia solare catturata in vera e propria elettricità. Occorre quindi andare ad osservare meglio questo aspetto, per comprendere meglio le implicazioni presenti e future di un impianto fotovoltaico.

L’efficienza del fotovoltaico: quali i fattori destinati a incidere su di essa?

Quali sono i fattori destinati a incidere sul rendimento di un impianto fotovoltaico? Tra di essi occorre sicuramente ricordare:

1.      la temperatura di esercizio che, con il suo elevarsi, è destinata a ridursi;

2.      la sporcizia. L’accumularsi di terra, sabbia, residui organici di volatili, fogliame e altro materiale ostacola la piena ricezione della luce solare e a gioco lungo sono in grado di riverberarsi in negativo sullo stesso ritorno economico dell’impianto. Proprio per questo occorre provvedere periodicamente alla sua pulizia;

3.      gli ombreggiamenti, che possono essere passeggeri, dipendendo ad esempio dal passaggio delle nuvole o da altri fattori temporanei, i quali possono comunque essere ridotti dalla tecnologia disponibile;

4.      l’utilizzo di cavi e connettori, sotto forma di dispersione elettrica tale da incidere in minima parte sul dato finale;

5.      il cosiddetto mismatch, fenomeno derivante dal fatto che non tutti i pannelli, anche se della stessa marca, potenza e modello, danno luogo ad analogo rendimento;

6.      l’efficienza dell’inverter, il cui processo di conversione si attesta in condizioni normali intorno al 96-97%;

7.      lo stato di anzianità delle celle fotovoltaiche, il cui processo di vita dura di solito in un arco temporale compreso tra i 20 e i 25 anni. In questo periodo con il trascorrere del tempo perdono circa lo 0,5% ogni anno e nell’ultima parte della vita il loro rendimento risulta inferiore in una forbice tra il 10 e il 12% a quello iniziale. A causare questa perdita è il degrado fisiologico cui vanno incontro i materiali e i componenti dell’impianto.

La situazione in Italia

Qual è la situazione del fotovoltaico nel nostro Paese? Il dato da cui partire è rappresentato dai 1.015.239 impianti connessi lungo tutto il territorio nazionale alla fine del 2021. Il 92% circa di essi sono di piccola taglia, mentre per quanto riguarda la collocazione territoriale e predominare è la parte alta dello stivale.

Si tratta di un dato complessivo leggermente migliore di quello dell’anno precedente, quando la pandemia di Covid si era andata a riflettere anche sul settore fotovoltaico.

Nel corso dei dodici mesi presi in considerazione è stato installato quasi 1 GW di nuova potenza. A rivelarlo è stato uno studio di Italia Solare elaborato in collaborazione con Terna, che ha messo a disposizione i dati Gaudi. I 937 MW conseguiti, 251 in più rispetto al 2020, rappresentano però un risultato ancora lontano da quanto richiesto dal PNIEC (Piano Nazionale Integrato per l’Energia e il Clima) per il periodo 2021-2030 stilato da un team di policy maker e tecnici di MATTM, GSE, Ministero dello Sviluppo Economico, ENEA MIT, RSE, ARERA, ISPRA e Politecnico di Milano.  

Grazie a queste integrazioni, la capacità fotovoltaica italiana totale si attesta quindi a quota 22,5 GW, con un contributo ormai largamente prevalente degli impianti di piccola taglia. Un trend che è favorito dalla fine del Conto Energia, motore del primo sviluppo del settore in Italia, e dallo scarso successo riscontrato dalle aste del decreto FER1.

La strategia energetica italiana

L’Italia è tra i paesi che si sono di recente impegnati a perseguire una serie di obiettivi indicati dall’Unione Europea, in grado di contribuire alla tutela dell’ambiente, alla sicurezza energetica ed alla riduzione delle emissioni inquinanti e climalteranti.

Per riuscire a farlo, il nostro governo è stato chiamato a stilare una proposta energetica sino al 2030, sotto forma di un piano nazionale in grado di dare un valido contributo al conseguimento dei traguardi prefissati dall’Energy Union. Il progetto stilato in tal senso è, appunto, il Piano Nazionale Integrato per l’Energia e il Clima per il periodo 2021-2030, per effetto del quale il 30% di Consumi Finali Lordi dovrà essere coperto da fonti rinnovabili entro il 2030.

Per quanto riguarda l’efficienza energetica, la riduzione dei consumi di energia primaria e finale dovrà attestarsi rispettivamente al 43 e al 39,7%, rispetto a quanto era stato indicato dal piano energetico PRIMES 2007.

Il PNIEC ha poi affrontato il tema legato alle emissioni nocive, per le quali l’obiettivo indicato è una riduzione dei gas serra nell’ordine del 33% per tutti i settori che non rientrano nell’Emission Trading System (ETS).

Infine, il piano nazionale energia clima 2021-2030 ha stabilito l’introduzione della Valutazione Ambientale Strategica (VAS), alla quale è affidato lo scopo di esaminare l’impatto ambientale del piano in modo da dimostrare nei fatti che la lotta ai cambiamenti climatici per l’Italia rappresenta un impegno concreto.

Come si può facilmente immaginare, nell’ambito di questo piano, il fotovoltaico è chiamato a ricoprire un ruolo molto importante. Resta naturalmente da capire se gli input di matrice politica vadano in questo senso, o meno. Basta in effetti dare un’occhiata alle accuse mosse dalle imprese in tema di permessi, per capire come gli ostacoli per le rinnovabili siano ancora molti.

Il fotovoltaico all’interno del PNIEC

Qual è il ruolo assegnato dal Piano Nazionale Integrato per l’Energia e il Clima al fotovoltaico? L’energia solare è destinata a ricoprire un ruolo di grande protagonista nel sistema elettrico nazionale, decisamente preponderante se rapportato alle altre fonti rinnovabili.

Proprio nell’intento di accelerare la profonda decarbonizzazione del sistema energetico tricolore, il PNIEC indica come obiettivo i 52 GW di capacità fotovoltaica entro il 2030. Per capire meglio lo sforzo intrapreso basterà ricordare che nel 2019 i GW installati ammontavano a 20,9.

La crescita indicata dovrebbe avere una notevole accelerazione nel periodo compreso tra il 2023 e il 2025. Nel corso del quale la nuova capacità media annuale aggiuntiva dovrebbe attestarsi a circa 4,6 GW, numeri che sono pari a quelli del cosiddetto biennio d’oro del fotovoltaico, il 2010-2011.

Per poter conseguire questi numeri estremamente ambiziosi, però, sarà necessario un vero e proprio cambio di paradigma rispetto a quanto si è verificato nel corso degli ultimi anni. I piccoli e medi impianti, infatti, dovranno lasciare il compito di condurre le danze a quelli di grande taglia, con impianti a terra in grado di conseguire almeno 7-8 GW.

L’agrivoltaico

La domanda che ci si dovrebbe porre è quindi la seguente: dove saranno dislocati questi impianti, destinati a sollevare l’opposizione delle comunità locali, come è ormai tradizione in Italia? Tra le tante ipotesi c’è quella relativa ai terreni agricoli, ove attualmente è vietato costruire impianti di questo genere.

La soluzione in tal senso può essere rappresentata dall’agrivoltaico, soluzione sponsorizzata da Legambiente e che ha appena visto il varo di una vera e propria rete nazionale su impulso di Enea. Si tratta di un sistema di produzione energetica sostenibile in grado di consentire agli agricoltori di generare energia pulita coltivando i terreni.

L’energia agrivoltaica viene generata da una combinazione perfetta di energia solare e colture, su terreni agricoli, permettendo di sfruttare al massimo paesaggi caldi e aridi. Per ottenerla i pannelli solari vengono posizionati sopra un sottobosco di piante, nel preciso intento di generare energia pulita.

A ideare questa tecnica sono stati Adolf Goetzberger e Armin Zastrow, nel 1981, anche se il varo del termine, derivato in italiano dall’inglese “agrivoltaics”, risale al 2011. Tra i vantaggi che è in grado di assicurare, occorre ricordare in particolare quello su cui si fonda in definitiva il sistema, ovvero la mancata necessità di andare ad occupare ulteriore spazio oltre a quello riservato alle coltivazioni.

Altro vantaggio che spinge molti a consigliarne il ricorso è poi rappresentato dal fatto che questi sistemi sono in grado di incrementare la resa delle colture agricole, contribuire ad una riduzione della quantità di acqua necessaria e dei costi per produrre l’energia.

Se è in grado di assicurare i vantaggi ricordati, al tempo stesso l’agrivoltaico è sottoposto ad alcuni limiti ben precisi. Tra di essi occorre porre particolare rilievo alla mancanza di adattabilità di molti terreni. Cui si va ad aggiungere il possibile blocco a livello legislativo derivante dall’impossibilità, in alcuni Paesi, di sfruttare le aree agricole per la produzione di energia solare.

I vantaggi del fotovoltaico

Quali sono i vantaggi garantiti dall’adozione di un impianto fotovoltaico? La lista non può prescindere dai seguenti:

• la convenienza economica, sotto forma di corposi risparmi finanziari. Chi ha installato un impianto fotovoltaico è in grado di far funzionare i propri elettrodomestici senza alcuna spesa sulla bolletta, in quanto l’energia autoprodotta viene consumata istantaneamente. Anche dal punto di vista della manutenzione un impianto di questo genere non va ad impattare pesantemente sul conto finale, in quanto non ci sono parti in movimento. Basta quindi riservare la propria attenzione alla pulizia, alla giusta disposizione dei cavi e alla sostituzione dell’inverter, operazione da effettuare dopo una decina d’anni di funzionamento. Ai vantaggi di carattere economico sono poi da associare quelli garantiti dallo Scambio sul Posto (SSP), il meccanismo che consente di rivendere al GSE l’energia che è stata prodotta e non può essere utilizzata in quanto eccessiva rispetto al reale fabbisogno energetico dell’immobile. Il surplus viene quindi rivenduto e il corrispondente conguaglio conteggiato a livello semestrale nella bolletta;
• l’impatto ambientale estremamente ridotto. Chi si affida ad un impianto fotovoltaico sa di non andare a danneggiare l’ambiente tramite emissione di sostanze nocive, impedendo quindi l’emissione di ipoteche a danno delle nuove generazioni sotto questo particolare aspetto. Si tratta infatti di una fonte di energia pulita, che può essere rinnovata e sfruttata per sempre, contrariamente a quanto accade per le fonti non rinnovabili;
• i benefici immobiliari. Chi adotta i pannelli solari per la gestione energetica della propria abitazione va ad aumentare il valore della stessa. Se per motivi di vario genere dovesse decidere di venderla, il suo valore sarebbe superiore a quello di un corrispondente immobile privo di impianto. Non a caso negli annunci immobiliari viene sempre più utilizzato il parametro rappresentato dalla classe energetica, che viene migliorata dalla presenza di pannelli solari;
• i benefici in termini fiscali. Chi adotta un impianto fotovoltaico può essere associato ad uno dei tanti bonus che lo Stato concede ormai da tempo, compreso il Superbonus 110%. Ognuno di essi viene erogato sotto forma di detrazioni sulla dichiarazione dei redditi nel corso del decennio successivo all’adozione dell’impianto e rende ancora più conveniente la decisione di investire sull’energia solare.

Gli svantaggi del fotovoltaico

Naturalmente, quando si affronta il discorso relativo al fotovoltaico, occorre anche mettere sull’altro piatto della bilancia gli svantaggi che possono conseguirne. Tra di essi ricordiamo in particolare:

1.      la presenza di una serie di adempimenti burocratici che possono causare non pochi fastidi e rallentare l’installazione dell’impianto. Se nel corso degli ultimi anni l’iter procedurale si è andato snellendo, alcune farraginosità di fondo sono rimaste, come del resto denunciato da molte imprese e cittadini;

2.      i costi iniziali. Per poter impiantare il fotovoltaico è necessario rassegnarsi ad un esborso importante, nell’ordine delle svariate migliaia di euro. Considerati gli standard salariali italiani per molte famiglie si tratta di un’operazione molto impegnativa, spesso proibitiva. Al tempo stesso occorre sottolineare come più che una spesa si tratti di un investimento. Con il trascorrere del tempo, infatti, i risparmi in bolletta e le deduzioni fiscali creano un quadro di reale convenienza, tanto più evidente in un momento storico come l’attuale, in cui i rincari previsti sulle bollette possono mettere a repentaglio la tenuta del bilancio familiare;

3.      l’incostanza della produzione di energia. Come abbiamo già ricordato, nel corso delle ore notturne l’impianto non produce elettricità. Per ovviare basta però dotarsi di un sistema di accumulo, ovvero un sistema in cui l’energia prodotta nel corso della giornata viene stoccata per essere utilizzata in seguito, quando serve.

Il contributo dato al Sistema Paese dal punto di vista dell’indipendenza energetica

Sinora abbiamo visto i vantaggi e gli svantaggi prospettati dall’adozione di un sistema fotovoltaico ai singoli che intendano procedere in tal senso. C’è però un altro aspetto che occorre tenere in considerazione, quando si affronta il tema dell’energia solare.

Stiamo parlando del contributo che il fotovoltaico può dare all’indipendenza energetica di un Paese come l’Italia, costretto ad approvvigionarsi all’estero per poter soddisfare il suo fabbisogno di energia, non solo per gli usi domestici, ma anche per poter mandare avanti un sistema produttivo ancora imponente.

Il problema si è regolarmente ripresentato nel corso degli ultimi mesi, quando una serie di fattori concomitanti ha fatto schizzare verso l’alto il costo di gas e petrolio. Soprattutto lo scoppio della guerra tra Russia e Ucraina rischia di mettere in grande affanno l’Italia, dopo che nel corso degli anni precedenti erano venute meno tradizionali vie di approvvigionamento, ad esempio quella rappresentata dalla Libia.

Il modo migliore per ovviare ad una situazione di questo genere è, di conseguenza, rappresentata proprio dal ricorso alle fonti di energia rinnovabili. Tra cui, come abbiamo visto, un ruolo estremamente significativo spetta all’energia solare. Un dato che proprio quanto sta accadendo è destinato ad amplificare enormemente nel corso dei prossimi anni, andandosi a mixare con le ragioni del movimento giovanile che si batte per il contrasto al surriscaldamento climatico in atto.